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基于單片機(jī)的實(shí)用電子秤的設(shè)計(jì)
1設(shè)計(jì)目的
單片機(jī)以其功能強(qiáng)，體積小，功耗低，易開(kāi)發(fā)等很多優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用。本次數(shù)字電子秤的設(shè)計(jì)就是需要通過(guò)選擇合適的單片機(jī)來(lái)進(jìn)行主控，再結(jié)合A/D轉(zhuǎn)換、鍵盤(pán)、液晶顯示、復(fù)位電路和蜂鳴器報(bào)警驅(qū)動(dòng)電路的知識(shí)，同時(shí)在軟件的設(shè)計(jì)過(guò)程中用到鍵盤(pán)掃描、液晶顯示驅(qū)動(dòng)、模數(shù)轉(zhuǎn)換程序及漢字庫(kù)的的設(shè)計(jì)，做到對(duì)我們所學(xué)數(shù)電、模電、單片機(jī)等知識(shí)的綜合應(yīng)用，最終實(shí)現(xiàn)所設(shè)計(jì)數(shù)字電子秤的各項(xiàng)功能，達(dá)到“鞏固知識(shí)，培養(yǎng)技能，學(xué)而用之”的實(shí)踐目的。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，不但要提高我們?cè)诠ぷ髦械膶W(xué)習(xí)能力、探究能力、應(yīng)用能力和動(dòng)手能力，還要?dú)v練我們不畏艱難、不懂便學(xué)、有漏必補(bǔ)的認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ鲬B(tài)度，強(qiáng)化我們的社會(huì)適應(yīng)力和社會(huì)競(jìng)爭(zhēng)力，為走向社會(huì)提前試水，完善自我。
2設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容及要求
本設(shè)計(jì)主要完成一個(gè)簡(jiǎn)單實(shí)用數(shù)字電子秤的硬件電路部分和軟件部分的設(shè)計(jì)。硬件部分包括數(shù)據(jù)采集、最小系統(tǒng)板、人機(jī)交互界面三大部分。其中，數(shù)據(jù)采集部分由壓力傳感器和 A/D 轉(zhuǎn)換部分組成；人機(jī)界面部分為鍵盤(pán)輸入、液晶顯示。軟件部分應(yīng)用單片機(jī) C 語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)了本設(shè)計(jì)的全部控制功能。本設(shè)計(jì)的數(shù)字電子秤要求能夠顯示商品的名稱、價(jià)格、總量、總價(jià)等；能夠自動(dòng)完成商品的價(jià)格計(jì)算；能夠儲(chǔ)存幾種簡(jiǎn)單商品的價(jià)格；能夠具有超重提醒功能，一旦重量超出了自身重量的測(cè)量的范圍，發(fā)出警報(bào)；同時(shí)對(duì)數(shù)字電子秤的測(cè)量范圍要達(dá)到5KG，測(cè)量精度要求達(dá)到0.001。
3整體設(shè)計(jì)方案
整個(gè)數(shù)字電子秤電路由壓力傳感電路(ADC0832采樣）、模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、單片機(jī)主控制電路、LM4229顯示電路、蜂鳴器報(bào)警電路和4*4鍵盤(pán)電路6個(gè)部分組成。如圖3.1所示。
圖3.1 基于單片機(jī)的實(shí)用電子秤組成框圖
電子秤的測(cè)量過(guò)程實(shí)際是通過(guò)電阻應(yīng)變傳感器將被測(cè)物體的重量轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)輸出，電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，數(shù)字量通過(guò)顯示器顯示重量。打開(kāi)電源，數(shù)字電子秤開(kāi)始工作。接通電源時(shí)，數(shù)字電子秤進(jìn)入歡迎界面“歡迎使用電子秤 設(shè)計(jì)······”。數(shù)字電子秤上MCU開(kāi)始工作，鍵盤(pán)不斷進(jìn)行掃描，同時(shí)通過(guò)ADC0832也不斷進(jìn)行外部稱量數(shù)據(jù)采樣，LCD上顯示“實(shí)用電子秤 名稱 單價(jià)······”。當(dāng)載物臺(tái)上放有物體時(shí)，ADC0832立即將數(shù)據(jù)收集送給單片機(jī)處理。在鍵盤(pán)輸入對(duì)應(yīng)商品的代碼編號(hào)，在240*128的LCD上可以看到相應(yīng)商品的名稱，單價(jià)，總重，總價(jià)格等信息。在稱量的過(guò)程中，一旦物體自身的重量超出電子秤的稱量范圍，蜂鳴器立即會(huì)發(fā)出“滴滴····”警報(bào)聲告訴工作人員，所稱量物品超重。
4硬件電路設(shè)計(jì)
4.1整體電路圖
數(shù)字電子秤采用AT89C51單片機(jī)作為微處理器，接口電路由晶振、LM4229顯示電路、4*4按鍵電路、ADC0832電路、報(bào)警電路、存儲(chǔ)器等組成。控制器系統(tǒng)的硬件電路如圖4.1所示。
控制器系統(tǒng)硬件電路的工作過(guò)程是：打開(kāi)電源時(shí)，MCU及各個(gè)部分電路開(kāi)始工作，MCU調(diào)用內(nèi)部存儲(chǔ)數(shù)據(jù)對(duì)各部分接口電路初始化。200ms后LM4229進(jìn)入歡迎界面，ADC0832不斷對(duì)外部數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣交給MCU進(jìn)行處理，一旦有物品放入載物臺(tái)，ADC0832立即發(fā)送中斷請(qǐng)求，并將本次采集數(shù)據(jù)交給MCU處理，之后LM4229顯示相應(yīng)數(shù)據(jù)量。在此過(guò)程中，鍵盤(pán)也在不斷進(jìn)行掃描，一旦有鍵按下，單片機(jī)也會(huì)對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)處理，然后將對(duì)LM4229進(jìn)行寫(xiě)操作。
圖4.1 實(shí)用數(shù)字電子稱的硬件電路圖
4.2壓力傳感器
本設(shè)計(jì)要求稱量不超過(guò)5KG，誤差不大于0.001KG。考慮到秤臺(tái)自重、振動(dòng)和沖擊分量，還要避免超重?fù)p壞傳感器，所以傳感器量程必須大于額定稱重—。我們選擇的是L-PSIII型傳感器，量程20Kg，精度為0.01%，滿量程時(shí)誤差±0.002Kg ，可以滿足本系統(tǒng)的精度要求。其原理如圖4.2所示。
圖4.2 傳感器電路工作原理
稱重傳感器主要由彈性體、電阻應(yīng)變片電纜線等組成，內(nèi)部線路采用惠更斯電橋，當(dāng)彈性體承受載荷產(chǎn)生變形時(shí)，輸出信號(hào)電壓可由下式給出：
4.3數(shù)模轉(zhuǎn)換系統(tǒng)
首先考慮用常用的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片adc0809,由于本設(shè)計(jì)只需采集一路數(shù)據(jù)，adc0809為并行的8路數(shù)據(jù)采集芯片，且接線較復(fù)雜，因此考慮采用串行的AD轉(zhuǎn)換芯片adc0832完成設(shè)計(jì)。
ADC0832 與MCS- 51 單片機(jī)接口構(gòu)成了串行的8位通道。微處理器通過(guò)軟件寫(xiě)入3位串行控制命令決定ADC0832的工作方式。CH0單端輸入，輸入范圍0- 5V。非調(diào)整誤差為±1L SB。電路僅使用微處理器的兩根控制線，兩根數(shù)據(jù)線可方便進(jìn)行光電隔離增強(qiáng)抗干擾能力。適用于智能化信號(hào)檢測(cè)儀器、儀表。
4.4 鍵盤(pán)顯示電路的設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)中采用4*4矩陣是鍵盤(pán)，又稱行列式鍵盤(pán)。它有4條I/O線作為行線，用4條作為列線。用AT89S51的并行口P1接4×4矩陣鍵盤(pán)，行線接P1.0-P1.3口，列線接P1.4-P1.7口。在行線與列線每一個(gè)交叉點(diǎn)設(shè)置一個(gè)鍵，鍵盤(pán)設(shè)置了“0~15”個(gè)按鍵，其中的“0”鍵表示取消，其他鍵代表可供選擇商品品種及價(jià)格。
4.5 液晶顯示器電路的設(shè)計(jì)
LM4229通過(guò)CD WRITE READ三個(gè)引腳的電平來(lái)確定是讀數(shù)據(jù)還是讀狀態(tài)，或者是寫(xiě)數(shù)據(jù)還是寫(xiě)命令。數(shù)據(jù)D0-D7連接到單片機(jī)的P0口，可以和單片機(jī)進(jìn)行直接的數(shù)據(jù)交換，P2口為液晶顯示的控制端。
5軟件設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)中的程序由主控制程序、LM4229液晶顯示驅(qū)動(dòng)程序、ADC0832采樣程序和4*4鍵盤(pán)程序組成。
5.1主控制程序
整個(gè)設(shè)計(jì)中采用由下向上的設(shè)計(jì)思路。主程序中主要完成對(duì)LCM4229、ADC0832、及鍵盤(pán)掃描程序的調(diào)用。在編寫(xiě)程序的過(guò)程中，各變量統(tǒng)一采用全局變量方式命名，同時(shí)考慮到電子秤對(duì)精度的要求，本設(shè)計(jì)中的價(jià)格及總量相關(guān)的變量全部采用浮點(diǎn)數(shù)。主程序流程圖如圖5.1所示。
圖5.1 主程序流程圖
5.2 LM4229液晶顯示驅(qū)動(dòng)程序
write_data(place&0xff); //寫(xiě)入地址高位
write_data(place/256); //寫(xiě)入地址低位
write_com(0x24); //地址設(shè)置
write_com(0xb0); //設(shè)置數(shù)據(jù)自動(dòng)寫(xiě)
write_data(ASC_MSK[(c1-0x20)*16+k]); /*---
例如：0的ASCII碼為0x30,
在ASC_MSK中的位置為0x10*16 ---16字節(jié)字碼依次寫(xiě)入LCD---*/
write_com(0xb2); //自動(dòng)復(fù)位
place=place+30;
LM4229液晶顯示驅(qū)動(dòng)程序流程圖如圖5.2所示。
圖5.2 LM4229液晶顯示驅(qū)動(dòng)程序流程圖
5.3 ADC0832采樣程序
MCU通過(guò)拉低CS、拉高CLK來(lái)啟動(dòng)ADC0832進(jìn)行外部壓力傳感轉(zhuǎn)換后的電壓信號(hào)進(jìn)行采樣，每產(chǎn)生8個(gè)CLK脈沖，DATA獲得一位完整的8bit數(shù)據(jù)，此時(shí)MCU發(fā)送中斷請(qǐng)求，拉高CS，拉低CLK,并將數(shù)據(jù)DAT返回。ADC0832采樣程序的程序流程圖如圖5.3所示。
圖5.3 ADC0832采樣程序程序流程圖
5.4 4*4鍵盤(pán)程序
本設(shè)計(jì)中采用了4*4矩陣式鍵盤(pán)，單片機(jī)定時(shí)進(jìn)行查詢。首先單片機(jī)發(fā)送行掃描代碼，然后進(jìn)行列掃描，當(dāng)發(fā)現(xiàn)某一列出現(xiàn)了低電平時(shí)，即返回相應(yīng)的鍵盤(pán)值。若沒(méi)有發(fā)現(xiàn)則說(shuō)明當(dāng)前行沒(méi)有鍵按下，行掃描右移一位，繼續(xù)執(zhí)行列掃描。
MCU根據(jù)相應(yīng)的鍵值，即可確定被按下的鍵。4*4鍵盤(pán)程序如圖5.4所示。
圖5.4 4*4鍵盤(pán)程序
6系統(tǒng)仿真
在protues的ISIS 7.6sp4軟件環(huán)境下畫(huà)出電路原理圖，接下來(lái)就是將設(shè)計(jì)的程序在Keil C51 μVision3開(kāi)發(fā)集成環(huán)境上編譯成機(jī)器語(yǔ)言，進(jìn)入Proteus的ISIS，鼠標(biāo)左鍵點(diǎn)擊菜單“Debug”， 選中“use romote debuger monitor”，便可實(shí)現(xiàn)KeilC與Proteus連接調(diào)試。首先在Proteus中雙擊單片機(jī)AT89C51,將KeilC下編程生成的 .HEX文件導(dǎo)入到AT89C51中,可在Proteus中單擊全速仿真運(yùn)行按鈕，進(jìn)行現(xiàn)象的查看,能清楚地觀察到芯片上每一個(gè)引腳的電平變化，紅色代表高電平，藍(lán)色代表低電平。
6.1實(shí)用電子秤初始化仿真
導(dǎo)入main.HEX文件以后，進(jìn)入仿真頁(yè)面，先按開(kāi)始，此時(shí)數(shù)字電子秤進(jìn)入歡迎界面。LM4229上顯示"歡迎使用電子秤 ·····"。如圖6.1所示。
圖6.1 實(shí)用電子秤初始化仿真圖
6.2實(shí)用電子秤進(jìn)入稱重界面仿真
接下來(lái)調(diào)節(jié)壓力傳感模擬電路電壓，將電壓設(shè)為0.00表示此時(shí)載物臺(tái)上沒(méi)有物體。此時(shí)LM4229切換到稱量畫(huà)面，顯示指示“實(shí)用電子秤 單價(jià)：0.000元/千克 總重量：0.000千克 總價(jià)：00.000元”。如圖6.2所示
圖6.2 實(shí)用電子秤進(jìn)入稱重界面仿真圖
6.3實(shí)用電子秤模擬商品選擇及最大稱量仿真
然后，上調(diào)壓力傳感電壓表示已載有商品，同時(shí)按下“6”號(hào)鍵，表示選擇6號(hào)商品“蘋(píng)果”。此時(shí)LM4229上顯示“名稱：蘋(píng)果 單價(jià)：4.200元/千克 總重量：3.496千克 總價(jià)：“14.683元”（實(shí)際4.200*3.496=14.6832元）。達(dá)到基本要求。如圖6.3所示。
圖6.3 模擬商品選擇驗(yàn)證性稱量仿真圖
最后，上調(diào)壓力傳感電壓使載重達(dá)到最大，同時(shí)按下“5”號(hào)鍵，表示選擇5號(hào)商品“西瓜”。液晶顯示“名稱：西瓜 單價(jià)：2.400元/千克 總重量：4.980千克 總價(jià)：“11.952元”.達(dá)到基本要求，最大稱量重量4.980KG,如圖6.4。
圖6.4 實(shí)用電子秤模擬商品最大稱量仿真圖
7使用說(shuō)明
利用51系列單片機(jī)設(shè)計(jì)的電子秤不但可以滿足并解決現(xiàn)實(shí)生活中提出的“快速、準(zhǔn)確、連續(xù)、自動(dòng)”稱量要求，同時(shí)有效地避免人為誤差。當(dāng)載物臺(tái)上放有物體時(shí)，在鍵盤(pán)輸入對(duì)應(yīng)商品的代碼編號(hào)，LCD液晶上可以看到相應(yīng)商品的名稱，單價(jià)，總重，總價(jià)格等信息。在稱量的過(guò)程中，一旦物體自身的重量超出電子秤的稱量范圍，蜂鳴器立即警報(bào)，告訴工作人員，所稱量物品超重。在稱量過(guò)程中還可以通過(guò)鍵盤(pán)選擇商品不同的價(jià)位。
8設(shè)計(jì)總結(jié)
這次課程設(shè)計(jì)是對(duì)前面所學(xué)知識(shí)非常系統(tǒng)全面的一次檢驗(yàn)。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)與仿真，讓我更明確的了解了一些芯片的用途功能，也熟練了對(duì)它們的運(yùn)用。在這個(gè)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，我需要不斷地思考，不斷地請(qǐng)教，不斷地尋找資料以借鑒，不斷的用對(duì)知識(shí)的深入掌握去解決設(shè)計(jì)中存在的一些問(wèn)題和調(diào)試時(shí)出現(xiàn)的一些故障。雖然說(shuō)這樣的設(shè)計(jì)很難很煩很累人，但是確實(shí)是充實(shí)的，是讓人感到有意義的。
這次課程設(shè)計(jì)，不但讓我了解了一個(gè)數(shù)字電子秤，更讓我收獲了專業(yè)知識(shí)以外的東西，那就是學(xué)會(huì)了堅(jiān)信、堅(jiān)持，同時(shí)也磨礪了我的意志和耐心。真的，作為一個(gè)本來(lái)對(duì)這個(gè)專業(yè)不是很感興趣的學(xué)生，讓我收獲了一份從來(lái)沒(méi)有過(guò)的成就感。雖然到現(xiàn)在我對(duì)這個(gè)設(shè)計(jì)的部分原理還是不能用很專業(yè)的語(yǔ)言講述出來(lái)，但是當(dāng)我最初做成功這個(gè)設(shè)計(jì)的時(shí)候，我有一種說(shuō)不出的激動(dòng)，我寫(xiě)下一句話：“人很怪，上天給予每個(gè)人的都是公平的，沒(méi)有誰(shuí)沒(méi)能力去做事，只是在于那個(gè)人愿不愿意去做，敢不敢去做，能不能堅(jiān)持去做！”是的，這就是我這次課程設(shè)計(jì)之后最大的收獲！
雖然對(duì)這個(gè)專業(yè)依舊不是很感興趣，但是我還是想通過(guò)這份設(shè)計(jì)報(bào)告來(lái)建議老師，希望以后能多搞一些像這樣很實(shí)際的實(shí)踐課程，我們作為學(xué)生，的確需要好的成績(jī)，但更需要用這種對(duì)知識(shí)非常全面統(tǒng)一的檢驗(yàn)來(lái)考察自己，證明自己，堅(jiān)持自己。
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